介观结构多酸-二氧化钛纳米材料的可控合成及相关性能研究

On account of its excellent photoelectric conversion and physical-chemical properties, titania photoanode material has become one of the research hotspots in solar cell field. It is the important pioneering issue in the field of titania-based photoelectrode material to realize the ordering and periodicity of titania nanobuilding blocks, so as to increase its light scattering properties and electron transmission efficiency. This project intends to design and synthesis a kind of novel photoanode material. Photoanodes with composite mesostructure are constructed by multiple self-assembly method on the basis of polyoxometallate-titania nanobuilding blocks. The excellent electronic acceptance of polyoxometallate is utilized to effectively inhibit the charge recombination and increase the electron mobility of photoanodes.The mesostructure of materials are regulated to enhance the light scattering properties and electron transport rate of photoanodes. In this project, it will be researched detailedly into the influence rules of the component, crystalline structure, micromorphology and mesostructure of polyoxometallate-titania nanocomposites on the photoelectric conversion efficiency and stability of dye-sensitized solar cell. Microcosmic dynamics processes and inner mechanism of electron injection and transmission in mesostructure composite photoanodes will be explored. The execution of the project can not only provide new ideas for the controlledly synthesis of titania-based nano photoelectric functional materials, but also can provide theoretical foundation and technical support for the independent development of low-cost, high-efficiency dye-sensitized solar cell devices.

二氧化钛由于其优异的光电转换及物化性能成为太阳能电池光阳极材料的研究热点，实现二氧化钛基光电极材料纳米结构单元组装体的有序性和周期性，提高其光散射性能和电子传输效率是二氧化钛基光电材料研究领域的重要前沿课题。本项目拟从材料的设计合成入手，采用多元自组装方法构建以多酸-二氧化钛纳米结构单元为基础的复合介观结构光阳极，利用多酸优异的电子接受能力，有效抑制电荷复合，提高光阳极的电子迁移率；通过调控材料的介观结构，提高光阳极的光散射性能和电子传输速率。项目详细研究多酸-二氧化钛纳米复合材料组成、晶体结构、微观形态、介观形貌对染料敏化太阳能电池光电转换效率及电池稳定性的影响规律；揭示光激发电子注入和电子在复合介观结构光阳极中传输的微观动力学过程和内在机理。本项目的实施可为二氧化钛基纳米光电功能材料的可控合成提供新的思路，同时可为低成本、高效率染料敏化太阳能电池器件的自主开发提供理论依据与技术支撑。

染料敏化太阳电池（DSSC） 由于其相对低廉的价格、简单的制作工艺和潜在的高光电转换效率，具有良好的应用前景。二氧化钛由于其优异的光电转换及物化性能成为太阳能电池光阳极材料的研究热点，如何提高二氧化钛光阳极的光散射性能和电子传输效率是提升DSSC光电转换效率的关键。本项目以多酸-二氧化钛纳米结构为构筑单元，实现多酸-二氧化钛纳米结构单元组装体的有序性和周期性，可以利用多酸优异的电子接受能力，有效抑制电荷复合，提高光阳极的电子迁移率，同时通过调控组装体的介观形貌提高光阳极的光散射性能和电子传输速率，调控组装体的介观孔结构，提高染料分子的吸附量和电解质转化过程中的传质效率。项目重点合成了多级有序孔结构多酸-二氧化钛、多酸-二氧化钛复合纳米棒、多酸-二氧化钛复合微球光阳极材料，提出了多酸-二氧化钛复合材料的合成机制。详细研究了不同结构多酸-二氧化钛纳米复合材料光阳极的光电转换性能，研究了多酸电子受体在纳米复合材料中对其电子的输运行为的影响，明确了多酸-二氧化钛纳米复合材料中电子传输机制。通过将三种结构多酸-二氧化钛纳米复合材料分别用于光阳极不同位置，研究了光阳极材料形态结构对光的捕获效率、电子传输效率及电解质传质效率的影响。在此基础上，研究了多酸组成含量对材料光电转换性能的影响，进而构建了纳米复合材料组成、微观形态结构与光电转换效率的构效关系。同时还研究了不同结构光阳极材料对染料分子吸附量、吸附状态、光捕获效率、电池系统传质效率等因素的影响，进一步优化了电池性能，优化后的DSSC光电转换效率最高可达到8.73%。光阳极中多酸的引入能够抑制光生电子复合，而过量的多酸能形成电子陷阱，降低电子的传输效率。开放的多级孔结构及合适的形貌能够提升染料的吸附，增加光散射性能。本项目的实施可为二氧化钛基纳米光电功能材料的可控合成提供新的思路，同时可为低成本、高效率染料敏化太阳能电池器件的自主开发提供理论依据与技术支撑。